主軸振動測試及溫升對主軸振動的影響

張祥雷， 馮偉， 陳站， 李睿

（1.廈門大學物理與機電工程學院，福建廈門361005；2陜西漢中機床有限公司，陜西漢中723003）

0 引言

主軸系統作為數控機床的心臟部件，其動靜態特性直接關系到機床的加工性能［1］。主軸振動試驗是在不同轉速下測量主軸的振動量，包括振動位移、速度、加速度的幅值和相位、振動的時間歷程、頻率等。通過主軸振動試驗，可以找到主軸在使用過程中可能發生的共振點，或者主軸振動量偏大的轉速區域，以避免主軸在共振區或不穩定狀態下工作［2］。

圖1 液體靜壓軸承主軸的實驗平臺

本文在液體靜壓軸承的實驗平臺（圖1）上對不同轉速下主軸的振動進行測量，并測量主軸在每個指定速度保持運轉間隔15 min的主軸溫升和振動值，研究溫升對主軸振動的影響。

圖2 傳感器布置圖

1 主軸振動試驗

本次試驗使用激光位移傳感器檢測主軸的X方向（水平）和Y方向（豎直）振動值，如圖2所示。由于實測主軸已經裝配于主軸箱體中，無法直接檢測主軸前后軸承的振動情況，所以試驗的第三個激光位移傳感器的測點布置在主軸箱的前軸承安裝部位，因為該點的振動最能反映前軸承的振動。根據主軸試驗平臺與機床的實際轉速限制，對液體靜壓軸承主軸的轉速試驗范圍設定為0～1 500 r/min，主軸從初始轉速每次間隔上調100 r/min，每個轉速穩定10 s后增速。測試數據通過與激光位移傳感器相配套的LK-Navigator2軟件進行采集。振動試驗總共進行了3組，將3組試驗的振動振幅數據提取后建立與轉速對應的曲線，如圖3所示。

圖3 主軸轉速與振動曲線

由圖3的主軸振動數據可以得出以下結論：

1）由于測試環境中含有噪聲及其他振動因素，故每次測量過程的初始狀態都有近1滋m的漂移。這個干擾同樣存在于測試過程中，因此測試結果分析時要排除這個干擾。

2）液體靜壓軸承主軸的振動在轉速低于500 r/min時振幅較大，隨后振動趨于平穩。當轉速接近1 350 r/min時，主軸振動明顯變大，之后又趨于穩定。除去兩個振動過大的轉速區域，并排除干擾的影響，主軸振動幅值基本上在2～6滋m范圍內。

3）Y方向的振動值大于X方向的振動值，可見主軸在豎直方向獲得的支撐力度比水平方向少，而事實上試驗的主軸恰是側面固定于試驗平臺的安裝架上。

4）主軸箱體的振動隨著主軸轉速的變化也有相應的變動，并呈逐步上升的趨勢，在高速時逐步下降。而最大的振動發生在轉速為1300～1450r/min時，振幅平均有3.67滋m。

2 主軸溫升試驗

主軸轉速越高，溫升越大，熱變形也越大，隨著運轉時間的增加，整個變形也將越大。由于本次測量的主軸沒有配置相應的冷卻系統，油液的溫度將隨著主軸運轉時間的增加而增加，很難達到熱平衡狀態，甚至在未到達熱平衡狀態時油液溫升已經超過限制。故此，本次試驗主要采取每個指定轉速運轉15 min，再記錄相關主軸振動參數，如圖4所示。

圖4 溫升試驗過程中主軸轉速與振動曲線

3 溫升對主軸振動影響的分析

比較圖3與圖4可以看出，溫升試驗過程中主軸的振動相比振動測試振幅總體上減小了1～2滋m，是溫升導致主軸部件發生熱膨脹，提高了接觸剛度，即主軸的剛性隨著溫度的升高會增加。主軸發生大振動的轉速區域也發生了變化，低速區大振動區域由原來的0～500 r/min縮小為0～300 r/min，高速區大振動區域由原來1 300～1 450 r/min變為1 250～1 400 r/min，即比原先提早發生并結束振動過大現象。

4 結語

本文針對液體靜壓軸承的主軸進行了振動試驗和溫升試驗，分別研究了主軸在不同轉速下的振動情況和溫升對振動的影響，發現隨著溫度的變化，主軸的整體剛性得到加強，低速區的大振動區域變小，高速區的大振動區域從原來的1 300～1 450 r/min變為1 250～1 400 r/min，即提前發生大振動。另一方面，由于實驗主軸對油液沒有進行冷卻，主軸在試驗結束時油溫接近限定值，若長期使用主軸，需要對油液安裝一個溫度報警器。

［參考文獻］

［1］吳玉厚.數控機床電主軸單元技術［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［2］萬長森.滾動軸承的分析方法［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［3］王猷，嚴宏志.超高速主軸單元溫升特性分析［J］.制造技術與機床，2007（8）：17-20.

［4］李繼堂.加工中心主軸溫升實驗裝置的設計［J］.制造技術與機床，2012（8）：123-125.

［5］成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，1992.

［6］JIANG Shuyun，ZHENG Shufei.Dynamic design of a highspeed motorized spindle-bearingsystem ［J］.Journalof Mechanical Design，Transactions of the ASME，2010，132（2）：034511-0345015.

［7］溫德英，謝黎明.數控機床電主軸系統結構特性分析［J］.裝備制造技術，2012（2）：44-46.

［8］劉水發.高速電主軸熱態性能分析［J］.制造業自動化，2011，33（1）：141-144.